INTRODUCCION
La física estudia la naturaleza y en descubrir las leyes que la rigen, entonces la física de semiconductores consiste en explicar el comportamiento de los materiales semiconductores que se encuentran en ella para poder descubrir sus características y posteriormente aplicarlas en la vida cotidiana.
La física estudia la naturaleza y en descubrir las leyes que la rigen, entonces la física de semiconductores consiste en explicar el comportamiento de los materiales semiconductores que se encuentran en ella para poder descubrir sus características y posteriormente aplicarlas en la vida cotidiana.
Para poder conocer el comportamiento de los materiales
semiconductores es necesario realizar pruebas y experimentos para explicar su
comportamiento, exponiéndolos a diferentes temperaturas ambientes y observar
sus características y cambios que tienen al ser expuestos a diferentes
condiciones.
Los primeros modelos y teorías de los materiales
semiconductores se remontan al trabajo pionero Shockley presentando un
modelo semiconductor de Germanio en el
que los materiales se suponían estaban formados
por regiones de determinada
resistividad y movilidad electrónica separadas entre sí por fronteras de
mayor resistividad. Posteriormente fue un modelo propuesto por Tylor , Odell y
Fan en la que comentan por primera vez la existencia de cargas atrapadas en la
barreras electrostáticas, similares a las barreas de Schottky, tales
barreras impedían el transporte de carga
elevando la resistividad del material y por lo tanto no era un buen conductor.
Posteriormente el estudio de los materiales semiconductores
se mantuvo estancada, hasta que en los años setenta se retomó la discusión con
temas muy específicos en materiales muy concretos. Tres de estos materiales
fueron los impulsores principales de una nueva generación sobre la estructura
electrónica de transportes de carga en materiales semiconductores: silicio, óxido
de Zinc, y titanato de bario:
·
A
principios de los años setenta el silicio poli cristalino comenzaba a ser visto
como un material prometedor para circuitos integrados en microelectrónica y
para células fotovoltaicas en energía solar.
Sin embargo la disminución de la conductividad y de la vida
media de los portadores frenaban su implantación y a su vez servían para la
investigación de poder controlar dichos efectos una vez que sus causas fueran
conocidas. De hecho la perdida de conductividad y la degradación de la vida
media de los portadores eran fenómenos
ya conocidos, pues habían sido estudiados extensamente en el Germanio durante
los años cincuenta ya que las barreras de potencial formadas en las interfaces
obstaculizaban el flujo de portadores mayoritarios.
·
El
óxido de Zinc se revelo como un material de creciente importancia tras el
trabajo inicial de Matsuoka, quien sentó las bases de este material como
varistor, sin embargo faltaba una base conceptual para la descripción de las distintas
propiedades eléctricas y electrónicas que manifestaba este material. La
descripción del transporte de carga en varistores formados por ZnO pasó por
numerosos modelos ninguno de los cuales
resultaba satisfactorio como procesos de avalancha, corrientes limitadas,
emisión Schottky.
·
El
titanato de Bario fue interesante en los años setenta y surgió la necesidad de
estudiar teorías para crear un modelo y realizar la investigación de su
comportamiento como material semiconductor.
De lo anterior podemos concluir que un semiconductor es un
material o compuesto que tiene propiedades aislantes o conductoras y que los
elementos más usados como semiconductores son el silicio, el germanio y el
selenio, además que hay otros que no son elementos como lo mencionamos
anteriormente sino compuestos como el Arseniuro de Galio y el Seleniuro de
Zinc.
MATERIALES SEMICONDUCTORES
Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura, y se pueden comportar como conductores o como aislantes, por lo que si deseamos tener variaciones en la conductividad no debe ser por la temperatura donde se encuentren sino controladas eléctricamente por el hombre. Ya que el flujo controlado de partículas cargadas es fundamental para la operación de todos los dispositivos electrónicos. Los Semiconductores son materiales que poseen propiedades intermedias de conducción
Los materiales semiconductores más importantes son:
- Silicio
- Germanio
- GaAs
Los podemos encontrar en la tabla periódica en el grupo 3 y 4 como se muestra en la figura 1.1
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| Figura 1.1 Tabla periódica de los Elementos |
En estado puro tiene propiedades físicas y químicas parecidas a las del diamante. El dióxido de silicio (sílice) SiO2 se encuentra en la naturaleza en gran variedad de formas:
En estado muy puro y con pequeñas impurezas de elementos como el boro, fósforo y arsénico constituye el material básico en la construcción de los chips como lo muestra la figura 1.2 y múltiples aplicaciones y dispositivos electrónicos como se había comentado anteriormente.
Por su estructura cristalina existen las formas mostradas en la figura 1.3
Los materiales semiconductores más importantes cristalizan en el sistema cubico con red centra en la caras.
Los métodos físicos de purificación del silicio se basan en la mayor solubilidad de las impurezas en el silicio líquido, de forma que estas se concentran en las últimas zonas solidificadas. El primer método usado para construir componentes de radar durante la Segunda Guerra
Mundial, consiste en moler el silicio de forma que las impurezas se acumulen en
las superficies de los granos de silicio; disolviendo éstos
parcialmente con ácido se obtenía un polvo más puro. El primer método usado a
escala industrial, consiste en fundir un extremo de la barra de silicio y
trasladar lentamente el foco de calor a lo largo de la barra de modo que el
silicio va solidificando con una pureza mayor al trasladar a la zona fundida
gran parte de las impurezas. El proceso puede repetirse las veces que sea
necesario hasta lograr la pureza deseada bastando entonces cortar el extremo
final en el que se han acumulado las impurezas.
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| Figura 1.2 Chip Electrónico. |
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| Figura 1.3 Estructuras cristalinas |
Los cristales de semiconductores están formados por átomos donde los vecinos más cercanos están enlazados de manera covalente.
Estos Sistemas cúbicos tienen en su último orbital 4 electrones de valencia que están atrapados en los enlaces, sin embargo el electrón puede abandonar el enlace y pasar a ser electrón libre (móvil en el cristal) y formar parte de una corriente si recibe energía.
Entonces el material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza. Además, el Silicio presenta propiedades mecánicas y eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del 99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología CMOS. Existen otros materiales semiconductores que se emplean para aplicaciones especializadas. Por ejemplo el arseniuro de galio y compuestos relacionados se utilizan en dispositivos de muy alta velocidad y dispositivos ópticos. El Silicio se debe utilizar como silicio ultra puro debe de tener un átomo de impurezas por cada 10E9.
La figura 1.4muestra algunas propiedades de los semiconductores más utilizados.
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| Figura 1.4 Propiedades de los Semiconductores |
SILICIO
El silicio es un elemento químico situado en el grupo 14 de la
tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de los carbono
ideos. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después
del oxígeno [6]. La figura 1.5
muestra los elementos más abundantes en la corteza terrestre.
Donde se observa que el Silicio corresponde
al 28% de la Tierra.
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| Figura 1.5 Elementos mas abundantes en la Tierra. |
Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble, presenta un brillo metálico además de un color grisáceo como se muestra en la figura 1.6 y se presenta en forma amorfa y cristalizada. Aunque es un elemento relativamente inerte y resistente a la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos diluidos. Además el silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.
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| Figura 1.6 Silicio en estado sólido amorfo |
Las
principales aplicaciones del Silicio se encuentran en la industria de la
cerámica, y debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria
electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de chips y microchips en los que se pueden implementar transistores, pilas
solares, y una gran variedad de
circuitos electrónicos. La figura 1.7 muestra la aplicación del silicio en
electrónica.
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| Figura 1.7 Aplicación del Silicio en Dispositivos electrónicos |
El
silicio es un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio es importante por sus propiedades semiconductoras se usa
en la fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos semiconductores.
OBTENCION DEL SILICIO ULTRAPURO
El
silicio representa la cuarta parte de la corteza terrestre y es el segundo elemento más abundante por
detrás del oxígeno, para obtener el Silicio Ultra puro se realizan diferentes tipos de métodos como
son:
- HORNO DE ARCO ELECTRICO: El silicio comercial se obtiene a partir del Sílice de alta pureza reduciéndolo en hornos de arco eléctrico con electrodos a temperaturas superiores a los 2000°C.
SiO2 + C → Si + CO2
El proceso de obtención del silicio es complicado en el sentido de que se obtiene de muchos subprocesos. Esto se debe a los requisitos de transformación en la producción de silicio.
Los principales puntos importantes en el proceso de producción de silicio son los siguientes:
1. La producción de silicio requiere de una operación a muy alta temperatura (>1900 °C) y grandes cantidades de energía.
2. Durante la operación, los compuestos en estado sólido se convierten en líquido con una gran producción de gas de proceso.
3. El proceso incluye el SiO-gas, que es muy inestable y reacciona vigorosamente con el oxígeno. Hoy todos los procesos se basan en la combustión de los gases de proceso en la parte superior del horno. Sin embargo, este proceso de quemado puede no ser óptimo desde una perspectiva ambiental.
4. El único agente conocido de reducción es el carbono, que está con frecuencia en forma de carbón.
5. La única adición de energía al proceso es la energía eléctrica a través de electrodos. Además de los principales elementos Si, C y O que participan en la reacción, hay elementos adicionales en pequeñas cantidades que entran en el proceso como impurezas en las materias primas y el electrodo.
En la figura 1.9 se muestra la parte principal de un moderno Horno de arco eléctrico para la obtención del silicio ultra puro.
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| Figura 1.8 Horno de Arco Eléctrico |
El corazón de este horno eléctrico se compone de un recipiente que está lleno hasta el borde cargado con sus materias primas que por gravedad descienden a unos tubos como se muestra en la figura. La energía necesaria para la fusión se entrega por medio de tres fases a través de tres electrodos en posiciones verticales y sumergidas dentro de la mezcla cargada.
El 90- 95% de la energía suministrada se disipa en forma de calor en las cavidades llenas de gas que rodean el extremo de los electrodos, dando una temperatura en la cavidad alrededor de 2000 ° C.
El silicio líquido se acumula en el fondo del horno de donde se extrae y se enfría. El silicio producido por este proceso tiene una pureza del 98%.Para la construcción de dispositivos semiconductores, es necesario purificarlo aún más hasta obtener silicio ultra puro, por métodos físicos o químicos.
Los métodos químicos, usados actualmente, actúan sobre un compuesto de silicio que sea más fácil de purificar descomponiéndolo para obtener el silicio, los compuestos comúnmente usados son el triclorosilano (HSiCl3), el tetracloruro de silicio (SiCl4) y el silano (SiH4) [1].
En el proceso Siemens, las barras de silicio de alta pureza se exponen a 1150 °C al triclorosilano, gas que se descompone depositando silicio adicional en la barra según la siguiente reacción:
2 HSiCl3 → Si + 2 HCl + SiCl4
El silicio producido por éste y otros métodos similares se denominan silicio policristalino y típicamente tiene una fracción de impurezas de 0,001 ppm o menor.
El método Dupont consiste en hacer reaccionar tetracloruro de silicio a 950 °C con vapores de Zinc muy puros:
SiCl4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl2
Este método tiene muchas dificultades ya que el cloruro de Zinc se solidifica y obstruye las líneas de paso, por lo que eventualmente se ha abandonado en favor del proceso Siemens.
La
figura 1.9 ilustra el proceso químico
para la obtención de silicio.
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| Figura 1.9 Proceso Químico para obtener silicio Ultra puro |
Para estos métodos cabe destacar que se clora el silicio para obtener SiCl4 o HSiCl3 ambos en estado líquido a temperatura ambiente.
Tras múltiples destilaciones y otros métodos de purificación se llega a un SiCl4 o HSiCl3 ultra puro, después al reducir químicamente el haluro de alta pureza, se logra el silicio ultra puro deseado.
El diagrama de la figura de 1.11 nos proporciona los pasos resumidos de la obtención del silicio ultra puro mediante el proceso químico de purificación.
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| Figura 1.10 Proceso químico de purificación |
El polisilicio ultra puro 99.999999% denominado en inglés polysilicon de estructura policristalina se tritura a tamaños pequeños para ser vendido a la industria de semiconductores, pero las piezas a un más pequeñas o el polvo de silicio se venden a la industria solar, junto con el silicio depositado cerca de las partes internas de los equipos del proceso.
La industria solar no exige el silicio de tanta pureza como la industria electrónica que necesita una pureza intermedia (0,01 ppm). Por lo que los procesos químicos antes mencionados no necesitan de requerimientos tecnológicos tan específicos y reiterativos para la obtención de Si.
La figura 1.11 muestra los diferentes tipos de silicio de alta pureza que se obtienen de los métodos anteriormente mencionados.
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| Figura 1.11 Distintos tipos de estructura del Silicio |
El silicio obtenido en los procesos anteriores es poli cristalino, por lo tanto se requiere de un proceso adicional para formar grandes mono cristales que se utilizan en la fabricación de los dispositivos.
Este método es conocido como Método de Czochralski.
METODO DE CZOCHRALSKI
Este método se utiliza para la obtención de silicio mono cristalino gracias a J. Czochralski, quien determinó en 1918 que la velocidad de cristalización de metales al someterlos en una atmosfera inerte y venciendo la gravedad se puede conseguir la solidificación del mismo [1].
Es uno de los métodos que se utiliza actualmente para obtener los lingotes de silicio mono cristalino.
Controlando cuidadosamente la temperatura, la velocidad de elevación y rotación de la semilla y la velocidad de rotación del crisol, se mantiene un diámetro preciso del cristal. Mientras los lingotes son estirados, se refrescan para que adquieran un estado sólido. La longitud del lingote vendrá determinada por la cantidad de silicio fundido que hay en el crisol. La velocidad típica de crecimiento es de pocos milímetros por minuto.
En este proceso se añaden la cantidad de impurezas necesarias para formar un semiconductor tipo N o P con el dopado deseado. Normalmente la concentración de impurezas es de 1015 cm-3. Para conseguir esta concentración se incorpora cuidadosamente una pequeña cantidad de dopante por ejemplo Fósforo (para conseguir semiconductor tipo N) o Boro (para tipo P) al Silicio fundido.
El diámetro y la longitud del lingote dependen de la velocidad de rotación y traslación del mono cristal. Las partes superiores e inferiores del lingote obtenido, no son cilíndricas sino cónicas y se cortan, enviándolas a la industria fotovoltaica para sus diferentes usos. La figura 1.12 muestra las partes del proceso para la obtención de los lingotes de silicio.
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| Figura 1.12 Método de Czochralski |
En la figura
1.13 se muestran algunos lingotes obtenidos
por el metodo de Czochralsky.
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| Figura 1.13 Lingotes de Silicio |
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